Мельник В.М.

Національний технічний університет України «КПІ»

ІНТЕНСИФІКАЦІЯ БАРБОТУВАННЯ УЛЬТРАЗВУКОМ

Конструкція відноситься до біотехнології, а саме до газліфтних барботажних апаратів, і може бути використаною для культивування мікроорганізмів в рідинних середовищах при виготовленні вакцин та біологічно-активних речовин.

Відомий апарат для вирощування мікроорганізмів, який містить ємкість з технологічними патрубками, розміщені в ємкості циркуляційний стакан і аератор, систему рециркуляції середовища, яка складається з відвідного трубопроводу, збудника розходу, підвідного трубопроводу і підключеного до нього пристрою для розбризкування культурального середовища, що розміщений у верхній частині ємкості [1].

Апарат має можливість працювати при підвищеному барботуванні культуральної рідини в ємкості, тобто за інтенсивного постачання мікроорганізмів киснем, отже і за енергійного постачання поживними речовинами. Це забезпечено усуненням стримуючої інтенсифікацію дріжжезростаючого процесу від’ємного зворотнього зв’язку між газовмістом культурального середовища в ємкості і інтенсивністю тепломасообмінних процесів в апараті загалом.

Зазначений від’ємний зв’язок ліквідується за рахунок введення в конструкцію апарата відвідного патрубка піни в складі гідроциклона та ежектора.

Недоліком цього технічного рішення постає досить висока матеріалоємкість апарату, підвищене піноутворення, відносно невисока продуктивність технологічного процесу внаслідок пасивного перемішування і практично ламінарного поступального руху робочої рідини, і тільки паралельно осі апарату, а також наявність неминучих при цьому застійних зон в придонному прошарку та на периферії апарату ( на внутрішніх бічних стінках), що зумовлене обмеженими можливостями обраного технічного рішення.

Відомий також газліфтний барботажний апарат, який містить вертикально розташований циліндричний корпус з технологічними патрубками і розміщену в порожнині корпусу з радіальним зазором циркуляційну трубу, а також встановлений під циркуляційною трубою аератор [2].

За рахунок більш рівномірного розподілення газу та підвищення його диспергування зростає продуктивність технологічного процесу.

Для руху потоків газорідинної суміші використовується потенціальна енергія стиснутого повітря.

Процес культивування мікроорганізмів, як і більшість гетерогенних хімічних реакцій, безпосередньо залежить від кількості розчиненого в рідині газу і утворення та накопичення цільового продукту, зокрема, біомаси.

Підвищення ступеня розчинення газу в рідинній фазі реакції призводить також до скорочення його розходу та зменшення енерговитрат на аерацію.

Недолік цього технічного рішення полягає у відносно низькій продуктивності технологічного процесу, збідненій кінематиці тепломасообміну та постійно присутніх зонах пасивної енергетики робочої рідини в придонному прошарку та на периферії внутрішньої поверхні корпусу, невідповідність ступеня аерації і тепломасообміну культурального середовища усередині циркуляційної труби і поза нею, а також прояв ефекту налипання до її поверхні.

В основу пропонуємого апарату поставлена задача підвищення продуктивності технологічного процесу шляхом інтенсифікації тепломасообміну по всьому об’єму апарата за допомогою штучного формування резонансного стану культурального середовища і породженої цим станом енергетичної активності робочої рідини.

Поставлена задача вирішується тим, що апарат усуває недоліки відомого рішення і пропонує нове ефективне технічне рішення з новим технічним результатом.

Газліфтний барботажний апарат містить вертикально розташований циліндричний корпус з технологічними патрубками і розміщену в порожнині корпусу з радіальним зазором циркуляційну трубу, а також встановлений під циркуляційною трубою аератор, газліфтний барботажний апарат обладнаний ззовні корпусу, протилежно, двома ультразвуковими випромінювачами з регулюємим напрямом променів, один з яких формує резонансні коливання з частотою вищою за граничну і функціонально замінює циркуляційну трубу циліндричною каустикою, а другий випромінювач формує резонансні коливання з частотою нижчою за граничну і будує більшого радіуса другу циліндричну каустику поблизу внутрішньої поверхні корпуса апарату.

Аналіз причинно-наслідкових зв’язків дає підстави для висновку, що наведені ознаки заявленого газліфтного барботажного апарату належать до суттєвих, бо забезпечують досягнення нового технічного результату, вигідно відрізняючи від відомих аналогів і найближчого аналогу.

Технічний результат від використання газліфтного барботажного апарату забезпечується обладнанням ззовні корпусу, протилежно, двома ультразвуковими випромінювачами з регулюємим напрямом променів, один з яких формує резонансні коливання з частотою вищою за граничну і функціонально замінює циркуляційну трубу циліндричною каустикою, а другий випромінювач формує резонансні коливання з частотою нижчою за граничну і будує більшого радіуса другу циліндричну каустику поблизу внутрішньої поверхні корпуса апарату.

Прийнявши стальний корпус газліфтного барботажного апарату радіусом R = 1 м і товщиною 2 мм окреслюємо його граничну частоту у 7260 Гц.

На частоті ультразвукового випромінювання вищу за граничну, згинні коливання, швидкість яких залежить від частоти випромінювання, за певного кута променя породжують резонанс хвильового співпадання (кожній частоті відповідає свій кут співпадання )

сліду швидкості згинних коливань і падаючої хвилі випромінювання , що створює ефект акустичної прозорості, коли звукове випромінювання без втрати енергії надходить усередину корпуса апарату. Внутрішня поверхня корпусу випромінює в культуральну рідину звукові хвилі, які внаслідок аберації формують співвісно осі апарату циліндричну каустику, тобто зону підвищеної енергії, радіуса

Відповідно, звуковий випромінювач, який генерує промінь набагато нижчої за граничну частоти, формує в корпусі апарату поздовжні хвилі із швидкістю , які не залежать від частоти випромінювання і, в свою чергу, також породжують ефект хвильового співпадання, який, на відміну від згинних коливань, залежить тільки від кута співпадання і не залежить від частоти випромінювання

.

Ці хвилі утворюють також циліндричну каустику, але радіуса

яка знаходиться біля внутрішньої поверхні корпуса і створює енергетичну активність робочої рідини на периферії.

Таким чином, формування хвильового співпадання штучно генеруємими згинними, а також поздовжніми хвилями корпуса апарату, приводить в резонансний стан культуральну рідину, збурює її по всьому об’єму, ліквідує малоактивні і застійні зони. Циліндричні каустики вздовж осі апарату і біля його стінок додатково турбулізують робочу рідину і сприяють подальшій інтенсифікації процесів тепломасообміну і аерації, що, в свою чергу, підвищує продуктивність і якість технологічного процесу.

Сукупність наведених ознак газліфтного барботажного апарату забезпечує досягнення нового технічного результату.

Далі сутність роботи пояснюється відповідним описом та кресленнями, де:

на рис. 1 схематично зображений в поздовжньому перерізі заявляємий газліфтний барботажний апарат;

на рис 2 показаний переріз А-А на рис. 1.

Газліфтний барботажний апарат (рис. 1) використовується для культивування мікроорганізмів в рідинних середовищах при виготовленні вакцин та біологічно-активних речовин і містить вертикально розташований циліндричний корпус 1 з патрубком 2 для введення живильної рідини і посівного матеріалу, патрубком 3 для видалення культуральної рідини та патрубком 4 для відведення відпрацьованого газу. В порожнині корпусу 1, співвісно з ним, на днищі, розміщений аератор 5.

Робота газліфтного барботажного апарату здійснюється наступним чином.

У попередньо простерилізований корпус 1 крізь патрубок 2 вводять робочу рідину, після чого, через аератор 5 впускають стиснений газ (повітря) і послідовно включають, попередньо налаштовані на хвильовий резонанс, ультразвукові випромінювачі 6 і 7. Стиснений газ у вигляді бульбашок 8 підіймається вгору і утворює рідинно-повітряну суміш, яка набагато легша від робочої рідини на периферії внутрішньої порожнини корпусу 1. Різна питома вага рідини на осі корпусу і поблизу внутрішньої поверхні корпусу породжує досить повільний ламінарний потік, до того ж тільки висотного напрямка руху, робочої рідини. В той же час, просторовий резонанс, який створюють усередині корпусу ультразвукові випромінювачі 6 і 7, турбулізує всю рідиннофазну складову вмісту корпуса 1 і примушує газові бульбашки рухатися без перешкод не тільки спрямовано вгору, але і в інших різноманітних напрямках, утримуючи їх довше в робочій рідині, збагачуючи тим самим суміш киснем і створюючи умови для інтенсивного росту клітин.

Налагодження циліндричної каустики радіуса досягається швидше за умови збільшення хвильового розміру корпуса 1, тобто при виконанні співвідношення [3]

Наприклад, для обраних чисельних параметрів R = 1 м, швидкості звуку в рідині при частоті f = 42 кГц

Створення енергетично активного, турбулентного, стану в робочій рідині без додаткових механічних засобів, просторовий рух повітряно-рідинної суміші, штучне збільшення часу взаємодії бульбашок кисню з робочою рідиною та відсутність в порожнині корпусу додаткових елементів конструкції для регулювання технологічного процесу, забезпечують однорідність суміші по всьому об’єму, усувають зони пасивної енергетики в апараті, мінімізують ефект налипання до поверхні додатково введених елементів конструкції.

Таким чином, використання пропонуємого газліфтного барботажного апарату, завдяки новим властивостям, забезпечить енергетичну активність робочої рідини по всьому об’єму апарату, що суттєво підвищить продуктивність технологічного процесу і його якість.

Література

1. А.с. 1497208 А1 СССР, С12М1/04. Аппарат для выращивания микроорганизмов [Текст]/ Ю.Ф. Давыдов, В.М. Геллис, В.К. Погудкин, В.М. Крац, В.Н. Соловьев, С.П. Уткин (СССР). - № 4109725/28-13; заявл. 21.08.86; опубл. 30.07.89, Бюл. № 28. – 1 с.: ил.

2. А.с. 1708829 А1 СССР, С12М1/04. Газлифтный барботажный аппарат [Текст]/ Ю.Г. Куляшов, В.И. Горячкин, С.П. Уткин, Ю.Н. Талызин, А.С. Васильев, В.М. Крац (СССР). - № 4612860/13; заявл. 01.12.88; опубл. 30.01.92, Бюл. № 4. – 1 с.: ил.

3. Шендеров, Е.Л. Волновые задачи гидроакустики [Текст]/: моногр. Е.Л.Шендеров,– Л.: Судостроение, 1972. - 352 с.